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European Patent Office
Office europeen des brevets (11) E P 0 81 1 7 6 4 A 1 EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG
(43) Veroffentlichungstag: (51) int. CI.6: F03D 1/00, F03D 11/02,
10.12.1997 Patentblatt 1997/50 F03D 9/00
(21) Anmeldenummer: 97108891.9 (22) Anmeldetag: 03.06.1997
(84) Benannte Vertragsstaaten: (72) Erfinder: Siegfriedsen,S6nke AT BE CH DE DK ES Fl FR GB GR IE IT LI LU MC D-2481 1 Owschlag (DE) NL PT SE
Benannte Erstreckungsstaaten: (74) Vertreter:
AL LT LV SI Biehl, Christian, Dipl.-Phys. et al
Boehmert & Boehmert, (30) Prioritat: 03.06.1996 DE 29609794 U Anwaltssozietat,
Niemannsweg 133
(71) Anmelder: 241 05 Kiel (DE)
aerodyn Energiesysteme GmbH 24768 Rendsburg (DE)
(54) Getriebe-Generator-Kombination für Windkraftanlage (57) Getriebe-Generator-Kombination für Wind-
kraftanlagen im Megawatt-Bereich, mit einem Planeten- getriebe im Bereich der Frontplatte einer Kuppel der WKA, bei der die Rotordrehzahl in der Größenordnung
15-20 U/min liegt, das Übersetzungsverhältnis des Getriebes zwischen 5 und 8 beträgt und die Drehzahl des Generators zwischen 75 und 160 U/min liegt.
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Printed by Xerox (UK) Business Services 2.15.3/3.4
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Getriebe-Generator- Kombination für Windkraftanlagen im Megawatt-
Bereich. 5
Bei Anlagen im Megawatt-Bereich, die Vorzugs- weise offshore, d.h. mit einer Entfernung zur Küste in den Meeren aufgestellt werden sollen, werden beson- ders wartungsarme, leichte und gegen Seewasserein- wirkung geschützte Anlagen benötigt. Um Gewicht zu 10 sparen und auch die Abmessungen möglichst gering zu halten, wird eine möglichst kompakte Anordnung des Antriebsstrangs gewünscht. Gleichzeitig sollen mög- lichst kostengünstig vorhandene Generatoren einge-
setzt werden können. is
Bekannt sind hierzu z.B. die aus der WO 94/29614 bekannte für Propellersysteme entwickelte Vorrichtung;
die aus der DE 42 24 228 A1 bekannte Windkraftanlage mit Hohlwelle und Zahnkupplung; der aus der DD 268 741 bekannte 'Windenergiekonverter' der in einfacher 20 Bauart einen schnell laufenden Generator mit zentraler Stellstange in einer Kanzel kombinert; und die in der DE 36 25 840 A1 beschriebene Windkraftanlage, bei der allerdings ein relativ aufwendiges (und daher wartungs- intensiveres) zweistufiges Getriebe vorhanden ist. 25
Bei bekannten Windenergieanlagen, die über Getriebe mit meist drei Getriebestufen verfügen (also Übersetzungen von 30 bis ca. 150 realisieren), sind viele schnellaufende Teile wie Lager, Zahnräder und Dichtungen vorhanden, die trotz vieler Fortschritte in 30 der Werkstofftechnik noch unter den schon früher erkannten Problemen von hohem Verschleiß Gewichts- erhöhung und Dichtungsproblemen litten. Dagegen besteht bei direkt getriebenen, also getriebelosen Anla- gen der Megawattklasse das Problem, die dadurch 35 erforderlich werdenden Durchmesser der Generatoren von 5 - 6 m mechanisch stabil zu lagern. Außerdem ist eine Abschirmung gegen Umwelteinflüsse fast nicht möglich, so daß die Generatorwicklungen damit beauf- schlagt werden und ein frügzeitiger Defekt wahrschein- 40 lieh ist.
Aufgabe der Erfindung ist daher, durch kompakte, wartungsarme Ausführung eine so betriebssichere Anlage zu schaffen, daß mit ungewöhnlich langen War- tungsintervallen (bspw. einem Jahr) die Anlage an 45 abgelegenen Orten aufstellbar ist. Gleichzeitig soll der Transport und die Aufstellung an diesen abgelegenen Orten einfach sein.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß, wie in den Merkmalen des Hauptanspruches beschrie- so ben, bei einer Getriebe-Generator-Kombination mit einem einstufigem Plantengetriebe die Rotordrehzahl in der Größenordnung von 15-20 U/min ausgelegt wird, das Übersetzungsverhältnis eines einstufigen Getrie- bes zwischen 5 und 8 beträgt und die Nenn-Drehzahl ss des Generators zwischen 75 und 150 U/min liegt. Damit läßt sich ein voll gekapselter Generator mit einem leich- ten, wartungsarmen Getriebe kombinieren.
Wenn dann an das Rotorlager über eine Kupplung
anschließend sich ein Planetenträger eines Getriebes vor einer Frontplatte des Maschinenträgers befindet, wobei für eine Sonnenradachse des Getriebes ein Durchlaß durch die Frontplatte geschaffen ist, können sehr kurze leichte Anlagen geschaffen werden, die ein- fach vollständig gekapselt werden können.
Wenn dann noch das Rotorlager direkt in dem Pla- netenträger gelagert ist, ergeben sich noch besonders günstige geometrische Verhältnisse für die Übertra- gung der Querbelastungen.
Allen Maßnahmen gemein ist, daß sie den Einsatz bereits vorhandener, sehr zuverlässiger Elemente von Generatoren für Schiffe ermöglichen. Durch die beim langsamen laufen erzeugten tiefen Frequenzen, die hieraus resultierende Schallentkopplung und die voll- ständig mögliche Kapselung handelt es sich um sehr leise Anlagen. Fettschmierung für das Getriebe ist mög- lich, es ergeben sich geringe Wärmeprobleme und auf- grund der langsameren Bewegung der laufenden Teile weniger Verschleiß und geringere Abdichtungspro- bleme, insgesamt höhere Zuverlässigkeit und Einsatz- zeit.
Durch ein einstufiges Planetengetriebe kann dann die Drehzahl des Rotors so weit heraufgesetzt werden, daß beispielsweise Generatoren eingesetzt werden können, wie sie in Schiffen als Wellengenerator üblich sind.
Insbesondere wird vorgeschlagen, das Sonnenrad des Getriebes durch die verstärkte Frontplatte eines Maschinenträgers hindurchragen zu lassen und auf dem so entstandenen Achsstummel über eine Kupp- lungsscheibe die Innentrommel eines Polradträgers zu lagern. Außer auf der Kupplungsscheibe wird dabei die Innentrommel auf einem Ansatzstutzen gelagert, der mit der Innenseite der Frontplatte des Maschinenträ- gers fest verbunden ist.
Dadurch ergibt sich ein insgesamt sehr kompakter Aufbau, dessen Schwerpunkt günstigerweise vor der Mittelachse des Turms liegt. Dies kann auch bei Ver- wendung einer Dreipunktlagerung erreicht werden, die die GetriebeGenerator-Kombination direkt unter Ver- zicht auf weitere schwere Zwischenteile auf dem Turm- flansch drehbar lagert.
Der notwendige Azimutantrieb wird seitlich oder gegenüberliegend bevorzugt außen auf das Azimutla- ger wirkend vorgesehen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung erge- ben sich aus nachfolgender Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Zeich- nungen. Dabei zeigt:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine Getriebe-Genera- tor-Kombination für Windkraftanlagen, Fig. 2 einen Schnitt durch ein weiteresAusfüh-
rungsbeispiel,
Fig. 3 eine Schnittdarstellung ohne die erfindungs- gemäß mögliche und vorgeschlagene Ver- kapselung durch ein Gehäuse, und
Fig. 4 nur schematisch die vorgeschlagene Drei-
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punktlagerung in einer ansieht von oben.
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Getriebe-Gene- rator-Kombination weist eine im teilweisen Schnitt dar- gestellte Rotornabe 10 auf. Kreisförmig ist ein s Anschluß-Durchmesser für ein Rotorblatt angedeutet.
In den beiden Figuren, wie auch in der Fig. 3 ist weiter an die Rotornabe 10 anschließend eine Bogen- zahnkupplung 14 als dunkelschraffierter Bereich ange- deutet. Daran anschließend ist das Rotorlager 12 w vorgesehen, während sich im Inneren der Planetenträ- ger 16 an die Bogenzahnkupplung 14 anschließt.
Das Hohlrad 18 eines Getriebes befindet sich außen, mit Bolzen 19 am Maschinenträger 36 gesi- chert, um den Planetenträger und das innenliegende is Sonnenrad 20 herum, fluchtend mit dem Gegenlager des Rotorlagers. Die Bolzen 19 gehen sowohl durch den Außenring des Rotorlagers als auch durch das Hohlrad 18 hindurch. Das Sonnenrad 20 schließlich ist als Achse durch die Frontplatte 17 des Maschinenträ- 20 gers hindurchragend ausgebildet.
Auf der Innenseite der Frontplatte 1 7 ragt die Achse des Sonnenrades 20 über einen Ansatzstutzen 40 hin- aus, der als Lagerung für den Innenring 42 des Polträ- gers 28 dient. Zwischen der Sonnenradachse und dem 25 Innenring 42 befindet sich eine Kupplungsscheibe 24, die zusammen mit ihrem Gegenstück eine Rutschkupp- lung bildet. Dadurch werden die hohen Stoßkurzschluß- momente des Generators, die in Schadensfällen auftreten können, zuverlässig von dem Getriebe fernge- 30 halten.
Außen auf dem Polradträger 28 sind die Polschuhe 26 aufgebracht, die dem Ankerblechpaket 22 gegen- überstehen. Der Maschinenträger 36 verläuft in seiner tragenden Konstruktion schräg von der Oberseite der 35 Frontplatte 1 7 herab bis zu dem Azimutlager 32, um den der Maschinenträger 36 mit Hilfe eines Azimutantriebs 34 dem Wind nachgeführt wird. Innerhalb des Maschi- nenträgers und außerhalb wird eine Kapselung mit einem Gehäuse 40 vorgeschlagen. Dieses Gehäuse 40 kann dann auch, wie in der Fig. 4 dargestellt zur AbStüt- zung der distalen Enden des Generators bei einer Drei- Punkt-Lagerung Verwendung finden.
Mit Bezugszeichen 30 sind jeweils die Azimutbrem- sen, mit Bezugszeichen 38 der Turm der Windkraftan- 45 läge dargestellt.
Patentansprüche
1. Getriebe-Generator-Kombination für Windkraftan- so lagen im Megawatt-Bereich, mit einem Planetenge- triebe im Bereich der Frontplatte einer Kuppel der WKA, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotordreh- zahl in der Größenordnung 15-20 U/min liegt, das Übersetzungsverhältnis des Getriebes zwischen 5 ss und 8 beträgt und die Drehzahl des Generators zwi- schen 75 und 160 U/min liegt.
2. Getriebe-Generator-Kombination nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, daß an das Rotorlager (12) über eine Kupplung (14) anschliessend sich ein Planetenträger (16) eines einstufigen Getriebes vor der Frontplatte der Kuppel (1 7) des Maschinen- trägers (36) befindet, wobei für eine Sonnenrad- achse (20) des Getriebes ein Durchlaß durch die Frontplatte (1 7) geschaffen ist.
3. Getriebe-Generator-Kombination nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Rotorlager (12) direkt in dem Planetenträger (16) gelagert ist.
4. Getriebe-Generator-Kombination nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Innenseite der Frontplatte (17) ein Ansatzstutzen (40) vorge- sehen ist, durch den die Sonnenradachse (20) hin- durchragt, wobei der Ansatzstutzen (40) an seiner Außenseite den Innenring (42) eines Polradträgers (28) des Generators lagert, der über eine weitere Kupplung (24) an das Sonnenrad angekoppelt ist.
5. Getriebe-Generator-Kombination nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, daß das Ankerblechpaket (22) fest mit dem Maschinenträger (36) verbunden ist und es sich um einen handelsüblichen Schiffswellenelektrogenera- tor handelt.
6. Getriebe-Generator-Kombination nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, daß die erste Kupplung am Rotorlager (12) eine Bogenzahnkupplung (14) ist.
7. Getriebe-Generator-Kombination nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, daß die zweite Kupplung zwischen Sonnenrad- achse (20) und Polradträger (28) eine als Rutschkupplung ausgebildete Kupplung auf dem den Ansatzstutzen (40) überragenden Ende der Sonnenradachse (20) ist.
8. Getriebe-Generator-Kombination nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, daß über eine Drei-Punkt-Lagerung zum einen der Außenseite des Hohlrades des Rotorlagers, und zum anderen der beiden distalen Endbereiche des Generators jeweils auf dem Turmflansch die Befestigung der Kombination auf einem Turm einer WKA um eine Vertikalachse verdrehbar ausgeführt ist.
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Europäisches EUROpXlsCHER RECHERCHENBERICHT " AnmM™s
Patentamt EP 97 10 8891
EINSCHLAGIGE DOKUMENTE
„ . Kennzeichnung des Dokuments mit Angabe, soweit erforderlich, Betrifft KLASSIFIKATION DER
KateS»™ der maftgehlichen Teile Anspruch ANMELDUNG (lnt.Cl.6)
X WO 96 11338 A (HEHENBERGER GERALD) 1-3 F03D1/00
18. April 1996 F03D11/02
* Seite 1, Zeile 36 - Zeile 39 * F03D9/00
Y * Seite 5, Zeile 16 - Zeile 25; Abbildung 4-8 7 *
Y,D DE 36 25 840 A (SCHOLZ HANS ULRICH) 4,8 ll.Februar 1988
* Spalte 3, Zeile 39 - Spalte 4, Zeile 22;
Abbildungen 1,3 *
* Spalte 6, Zeile 23 - Zeile 46 *
Y DE 34 02 015 A (BBC BROWN BOVERI & CIE) 5,6 25. Jul i 1985
* Zusammenfassung; Abbildung *
* Seite 6, Zeile 7 - Zeile 10 *
A US 4 291 233 A (KIRSCHBAUM HERBERT S) 1 22 . September 1981
* SpUp 1, 7pi1p 3? - 7eile 47; Abbildung
■7 * RECHERCHIERTE
J SACHGEBIETE (Int.CI.6)
A US 4 585 949 A (TAKAHASHI TAKASHI) 1 F03D
29. April 1986 H02K
* Spalte 4, Zeile 49 - Spalte 5, Zeile 27 F16H
*
A US 4 871 923 A (SCHOLZ HANS-ULRICH ET AL) 1 3.0ktober 1989
* Zusammenfassung; Abbildungen *
A US 4 774 855 A (MURRELL PETER W ET AL) 1,6 4.0ktober 1988
* Spalte 5, Zeile 48 - Spalte 6, Zeile 35
*
Y DE 11 04 458 B (K.WOLF) 6. April 1961 7
* Spalte 2, Zeile 21; Abbildung * - / "
Der vorliegende Recherchenbericht wurde fiir alle Patentansprucfae erstellt Recke rcbeBort
DEN HAAG
AbtcUaBdatui der Reckerche
9 . September 1997 Cnado Jimenez, F KATEGORIE DER GENANNTEN DOKUMENTE
X : von besonderer Bedeutung allein betrachtet Y : von besonderer Bedeutung in Verbindung mit einer anderen Veröffentlichung derselben Kategorie A : technologischer Hintergrund
O : nichtschriftliche Offenbarung P : Zwischenliteratur
T : der Erfindung zugrunde liegende Theorien oder Grundsätze E : älteres Patentdokument, das jedoch erst am oder nach dem Anmeldedatum veröffentlicht worden ist D : in der Anmeldung angeführtes Dokument L : aus andern Gründen angefühltes Dokument
& : Mitglied der gleichen Patentfamilie, übereinstimmendes Dokument
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Europäisches EUROPÄISCHER RECHERCHENBERICHT
Patentamt EP 97 10 8891
EINSCHLAGIGE DOKUMENTE Kategorie Kennzeichnung des Dokuments mit Angabe, soweit erforderlich,
der maßgeblichen Teile Betrifft
Anspruch KLASSIFIKATION UEK ANMELDUNG (Int.C1.6) EP 0 093 461 A (FDO TECHN ADVISEURS)
3. November 1983
JS 4 488 053 A (CRONIN MICHAEL J) 11. Dezember 1984
RECHERCHIERTE SACHGEBIETE (lnt.CI.6)
Der vorliegende Recherchenbericht wurde für alle Patentansprüche erstellt
Reckerckeaort AbscklriMahui der Reckercke PrMtr
§ DEN HAAG 9. September 1997 Criado Jimenez, F
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KATEGORIE DER GENANNTEN DOKUMENTE X : von besonderer Bedeutung allein betrachtet
Y : von besonderer Bedeutung in Verbindung mit einer anderen Veröffentlichung derselben Kategorie A : technologischer Hintergrund
O : nichtschriftliche Offenbarung P : Zwischenliteratur
T : der Erfindung zugrunde liegende Theorien Dder Grundsatze E : älteres Patentdokument, das jedoch erst am oder
nach dem Anmeldedatum veröffentlicht worden ist D : in der Anmeldung angeführtes Dokument L : aus andern Gründen angeführtes Dokument
& : Mitglied der gleichen Patentfamilie, Ubereinstimmendes Dokument
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